На тему «Жартылай ?ткізгіш материалдар»

Жартылай өткізгіш материалдар
Негізгі қасиеттері
Жартылай өткізгіштер электр өткізгіштігі қасиеті жағынан өткізгіш материал мен диэлектрик арасына орналасқан.
Өткізгіштердің электр кедергісі 10-8 -10-6 Ом.м, жартылай өткізгіштігі 10-6 -10-7 Ом.м, диэлектриктігі 10-8 -10-18 Ом.м. Металдардың электр кедергісі температура өскен сайын өседі, ал жартылай өткізгіштер мен диэлектриктер азаяды.
Өткізгіштерде бос электрондар өте көп, олардың бағытталған қозғалысы тоқ өткізгіштігі болады, ал жартылай өткізгіштерде бос электрондар өте аз, себебі жартылай өткізгіште валентті электрондар өз атомымен байланысқан, яғни олар бос емес. Жартылай өткізгішітік тоқ, сыртқы әсер ықпалымен; қыздыру, сәулелендіру немесе қоспа кіргізу арқасында, үлкен аралықта пайда болып не өзгере алады. Қоспа кіргізген кезде, валентті электрондардың энергиясы көбейіп, өз атомдарынан ажырайды, берілген кернеу әсерінен бағытталған қозғалыс жасап, тоқ тасушыларына айналады. Жартылай өткізгіш температурасы, сәулелендіру неғұрлым көп болса, бос электрондар саны да көп болып, тоқ та көп болады.
Электронын жоғалтқан жартылай өткізгіш атомы, қозғалмайтын оң зарядталған ионға айналады. Сыртқы қабаттағы электрон тастап кеткен орын тесік деп аталады. Бұл тесікті көрші атомнан кеткен басқа элкетрон баса алады. Осының нәтижесінде көрші атом қабатында да тесік пайда болады да, оң оң зарядталған ионға айналады.
Егер де жартылай өткізгішке кернеу қоссақ, электрондар бір атомнан екінш атомға қозғалып барады, ал тесіктер қарама – қарсы бағытта тесіктерді – электрон зарядына тең оң зарядталған бөлшек деп есептеледі.
Электрон бағытына қарсы бағытталған тесіктердің орын ауыстыруын тесікті тоқ деп атаймыз.
Электрондар тесіктер орын ауыстыруынан пайда болған жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін электронды, тесікті деп аталады. Таза жартылай өткізгіште электрондар саны Nэ және тесік саны Nт бірдей, мұндай электр өткізгіштікті өзіндік деп атайды.
Бұл кезде жалпы тоқ электрондар Iэ және тесікті тоқтан Ig тұрады.
Iэ = Iэ + Iд (1)
Өзіндік электр өткізгіштегі электрондар мен тесіктердің қозғалысы
Электрондар жылжымалығы, тесіктер жылжымалылығынан көп болғандықтан, электронды тоқ IЭ тесік тоқтан Ig көп заряд тасушыысының жылжымалылығы электрондардың орын ауыстыру жылдамдығының υэ (немесе тесік υm) жартылай өткізгіштіктегі электр өрісінің кернеулікке қатнасы. Сонда электрон жылжымалылыығы МЭ, ал тесік жылжымалылығы Мg. Сонымен, жылжымалылық 1с ішінде, Е=1 в/см кернеулілікті жүретін электрон мен тесік жолын көрсетеді.
Осыны ескере отырып, электронды және тесікті тоқтың теңдеуін жаза аламыз.
Iэ = Nэ • е • υэ = Nэ • е • Мэ • Е (2)
Ig = Ng • еυg = Ng • еМg • Е (3)
мұндағы е -электрон не тесік заряды жартылай өткізгіштегі жалпы ток.
I = IЭ + Ig = NЭ• ℓυЭ + Ng • ℓυg = NЭ•ℓVЭ•Е+ Ng•ℓVg•E (4)
Өзіндік электр өткізгіштік жағдайында жартылай өткізгіште электрон және тесік саны бірдей болғандықтан;
Nт = Nт = N (5)
I = Nе (МЭ + Мg) Е (6)
Жартылай өткізгіш құралдар жасау үшін (мысалы, түзету диоды) не электронды, не тесікті жартылай өткізгіш материал керек. Мұндай материалды алу үшін, мұқият тазартылған жартылай өткізгішке оларға сәйкес қоспа кіргізіледі.
Валенттілігі жартылай өткізгіш валенттілігінен жоғары қоспалар, жартылай өткізгішті бос электрондармен қамтамасыз ететін, донорлы немесе донор деп аталады.
Донорлы жартылай өткізгіштегі тесік пен электрондардың қозғалу сұлбасыАл валенттілігі жартылай өткізгіш төмен қоспалардың орнына тесік қалдыратын элетронды басып алып, оны ұстап тұру қасиеті бар. Мұндай қоспалар акцепторлы немесе акцептор деп аталады.
Акцептор қоспалы жартылай өткізгіштегі тесік, электрон қозғалыс сұлбасынан, оң зарядталған бөлшектердің (тесіктердің электрондардан көп екендігі көінеді (4–3 сурет) донорлы жартылай өткізгіштегі тесік пен электрондардың қозғалу сұлбасы) сонымен қоспалар жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін әжептәуір үлкейтетіні анық.
Түсірілген кернеу әсерінен, электрондар мен тесіктер жартылай өткізгіш қозғалған кезде әртүрлі кедергілер әсерінен, энергия бөлігін жоғалтып, жолынан таяды, яғни заряд тасушылар, негізінен кірлендіретін қоспалар әсерінен тарайды.
Жартылай өткізгіштер неғұрлым таза болса, заряд тасушылардың тарауы да аз, электрондар мен тесіктердің жылжымалылығы көп, яғни жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігі бар.
Тек электронды электр өткізгіштігі бар жартылай өткізгіш алу үшін, валенттілігі негізгі жартылай өткізгіш валенттілігінен біреу артық зат атомын қосады. Мысалы валенттілігі 4 – ке тең германий (αе) атомына, 5 валентті сурьма (Sℓ) не фарфор (Р) қоспасын қосады.
Қосылған қоспаның єр атомының 4 электроны жартылай µткізгіш атомының 4 электронымен ковалентті (қос) байланыс жасайды. Бесінші электрон байланыссыз бос к‰йде болып, т‰сірілген кернеу єсерінен электр тоғын қ±руға қатысады.
Суреттен донорлы қоспалы жартылай µткізгіш негізгі заряд тасушылар – электрондар. Екі тесік оған сєйкес екі электрон германий атомын ионизациялау арқасында пайда болады. Б±л заряд тасушылар жартылай µткізгіш µзіндік электр µткізгіштігін қ±райды. Жалпы тоқ электронды жєне тесіктік тоқ қосындысына тең, бірақ электронды тоқ тесіктікті тоқтан кµп есе кµп. М±ндай жартылай µткізгіш электронды не n типті деп аталады.
Германийға акцепторлы қоспа, мысалы В, қосқан кезде, оның әр атомы көрші германий атомымен үш ковалентті байланыс жасайды. Борда үш валентті электрон болғандықтан, олар германийдің үш көрші атомымен ғана байланыс жасайды. Германийдің төртінші атомымен байланыс жасауға бор атомында электрон жоқ. Сондықтан германийдің бірнеше атомында ковалентті байланыссыз бір–бірден электроны болады. Бұл электрондар орнынан кетіп, тесік қалдыру үшін, кішкене сыртқы энергетикалық әсер керек.
Кристалдық тор, германий қосылған донорлық қоспа (фосформен)
Босаған 2, 4, 6 германий атомының электрондары бор атомымен қосылып, жартылай өткізгіш тоқ жасай алмайды. Германий атомында пайда болған 1, 3, 5 тесіктерге көрші атом электрондары басады да, олардың орнында тағы жаңа тесіктер пайда болады.
Сонымен әрбір пайда болған зарядталған тесік германий атомының біреуінен екіншісіне көшеді, одан әрі келесіне т.с. Берілген кернеу әсерінен бұл тесіктер қозғалысы реттелінеді, яғни жартылай өткізгіште қоспалы тесік тоғы пайда болады. Сонымен қатар жартылай өткізгіште өздік электрөткізігіштік әсерінен азғантай бос электрондар және тесік жұбы болады. Жартылай өткізгіштегі жалпы электрон және тесік тоғы қосындысына тең. Мұндай жартылай өткізгіш тесіктіне не Р – типті деп аталады.
Температура өскен сайын барлық жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі өседі.
Жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігінің, қоспаның кішкене (1) және үлкен (2) концентрациясындағы, температураға байланыстылығы. Егер де жартылай өткізгішке кіргізілген донорлы не акцепторлы қоспа көп болса, бұл байланыс соғұрлым күшее түседі.
Жартылай өткізгіште басы артық заряд қозғалысы әсерінен, Т1 температурасына дейін қоспалы электр өткізгіштік байқалады. Т1–Т2 температура аралығында жартылай өткізгіштігі біршама азаяды (1-қисық). Бұл , бос электрон мен тесіктер қозғалысына бөгет жасайтын, атомдардың күшті жылулық тербелісінен туады. Температура әрі өскен сайын жартылай өткізгіште өзіндік электрөткізгіштік артады. Осыған байланысты, өте көп жаңа пайда болған электрондар мен тесіктердің бағытталған қозғалысы жартылай өткізгіште үдемелі тоқ жасайды және оның меншікті өткізгіштігі өте тез өседі.
2–ші қисық жоғары қоспалы жартылай өткізгіштегі, Т1 – Т2 аралығындағы меншікті өткізгіштіктің азаюын көрсетпейді. Бұл жартылай өткізгішке келетін қоспа электрон мен тесіктердің өте көп санына байланыстылығымен түсіндіріледі. Қоспа заряд тасымалдаушылардың әсері, осы температура аралығында жартылай өткізгіште кедергі өсуін теңелтеді.
Абсолютті нуль (-2730С) температурасында электрондар қозғалмайды, аз атомымен тығыз байланыста болады да, соның әсерінен жартылай өткізгіш диэлектрикке айналады.
Жартылай өткізгішке тән қасиет оның тоғының, түсірілген кернеуге байланыстылығының түзу сызықты еместігі яғни тоқ кернеуден гөрі әлдеқайда тез өседі.
Тоқ өскен сайын, жартылай өткізгіштің электр кедергісі күрт азаяды.
Бұл қасиет вентильді жартылай өткізгіш разрядтаушыларда қолданылады. Оларды, найзағай ұрған кездегі үлкен қорғау үшін, электр беру жүйесі сымдарына жалғайды.
Қалыпты кернеуде разрядтайшының өте үлкен кедергісі болғандықтан, электр беру жүйесінен тоқты жерге өткізбейді. Найзағай ұрған кезде сымдар өте үлкен кернеу астында болып вентильді разрядтаушының электр кедергісі күрт азаяды да жүйедегі үлкен тоқты женге әкетеді.
Жартылай µткізгіш рентельді разрядтаушының электр беру ж‰йесі қосу с±лбасы1-изолятор, 2-тірек, 3,4,5-ауааралықтар, 6,7,8-жартылай µткізгіш сызықсыз элементтері, 9-разрядтағыш корпусы (фарфор),
10-электр беру желісі сымы
Осының нәтижесінде электр беру жүйесінің кернеуі қалыпты мәнге дейін төмендейді. Разрядтаушының үлкен кедергісі қалпына келіп, тоқты жүйеден жерге қайта өткізбейді.
Кернеу V–дан V1–ге дейін өзгергенде, жартылай өткізгіштегі тоқ кері бағытта жүреді, суретте көрсетілген заңға сәйкес өзгереді.
Жартылай өткізгіштің электрон–тесіктік симетриялы вольт–амперлік сипаттамасы
Бұл жартылай өткізгіште симметриялы вольт–амперлі сипаттама бар екенін көрсетеді.
Егер де жартылай өткіщгіштің бір көлемінде электронды электр өткізгіштік, а екіншісінде-тесіктік болса, екеуінің шекарасында электрон – тесіктік көшу пайда болады (р–n көшу), оған симметриялы емес вольтрамерлі сипаттама тән.
Электрон және тесіктік жартылай өткізгішті тығыз түйістірсек, онда екі аймақ жүйесі пайда болады. Біреуі электронды электр өткізгіштік (n–типті), екіншісі тесіктік (р–типті) аймақ. Бұл кезде n аймақтағы электрондар электроны аз р аймағына көшеді. Бір сәтте р аймағынаң тесіктері, тесіктері аз n аймағына көшеді. Екі жақты электрондар мен тесіктердің көшуі n аймағындағы шекарада электрон шоғырын азайтады.
Осы бір мезгілде р аймағы шекарасындағы тесіктер шоғыры да азаяды.
1 – ші, 2 - ші электродтарға сыртқы кернеу көзін қоспай–ақ, р және n аймағы шекарасында қос электр қабаты пайда болады.

Осының арқасында жергілікті, кернеулігі Ео, электр өрісі туады, ол қос қабаттағы теріс заряд жағына қарай бағытталған.
Осындай жүйеге сыртқы кернеу қоссақ , және сыртқы көз кернеулігі Ес, жергілікті электр өрісі кернеулігіне Ео сәйкес болса n аймақ электрондары және р аймақ тесіктері бөлу шекарасынан 1–ші және 2–ші электрондарға қарай ауысады. Бұл кезде р типті жартылай өткізгіштегі электрондар жайлаған, n типті жартылай өткізгіштегі тесіктер жайлаған орын кеңеседі, яғни р - n көшуінің электр кедергісі күшті өседі де р – n көшуінде тоқ өткізбейтін жабу қабаты пайда болады. Шын мәнінде р - n көшуінен өте аз тоқ өтеді, ол кері тоқ I кері құрайтын негізгі емес заряд тасушылар, орын ауыстыруынан пайда болады.
Егер де, сыртқы көз кернеулігі Ес, жергілікті электр өріс кернеулігі Ео – ға қарсы бағытталса, жергілікті электр өрісі әлсірейді, жартылай өткізгіштің n аймағының электрондар және р аймағының тесіктері р – n көшуіне қарай ығыса бастайды. Осының арқасында жабу қабаты тарылып, оның электр кедергісі шұғыл азаяды. Бұл кезде р – n көшу тік тоқ деп аталатын тоқ өткізеді, оның бағыты - тік немесе өткізу деп аталады.
Тік тоқ, кері тоқтан көп есе үлкен. Тік бағытта тоқ өткен кезде, электрон – тесіктік көшу кедергісі аз, ал кері өтуде кедергісі.
Бұл кезде тік тоқ I тік түсірілген кернеу өскен сайын тез өседі, кері кернеу U, қосылған кезде, бас кезінде кері тоқ I кері болмайды. Кері кернеу көбейген кезде I кері болмайды. Кері кернеу көбейген кезде, I кері бас кезінде жайлап өсіп, онан кейін беогілі бір кернеу мәнінде өте тез өседі, осының нәтижесінде р – n көшуінде тесілу болып, қарайды.
Электрон - тесіктік көшуді тоқты бір бағытта өткізіп, екінші бағытта өткізбеу қасиеті жартылай өткзгіш түзеткіштерінде қолданылады. Айнымалы кернеу түсіргенде р – n көшуі тоқты бір жарты период уақытында ғана өткізеді, яғни оны түзетеді.
Жартылай өткізгіш түзеткішінің жұмысы оның вольт – амперлік сипаттамасымен бағаланады, ол кішкентай кернеуде түзеткіштен өтетін тоқ үлкен мәнге жететін көрсетеді. Түзеткішке кері кернеу қосқанда, батареяның плюсы n – аймаққа, минусы р–аймаққа қосылғанда түзеткіш тоқ өткізбейді. 300 В кері кернеуден бастап р – n көшу өте аз кері тоқ өткізеді. Егер де кері кернеуді көбейтсек, кері тоқ белгілі бір уақытта өте күшті өседі, тіпті бір көп мәндерде р – n көшуде тесілу болады.
Жартылай өткізгіш диодтарда р - n көшуі электр өткізгіштігі әртүрлі қорытпа түйіспе түрінде немесе металл үшкір және жартылай өткізгіш табақша түйіспе түрінде жасалады. Бірінші жағдайда екі жартылай өткізгіш арасында түйісу ауданы пайда болады. Мұндай диодтар жазықтық деп аталады. Екінші жағдайда 2 × 2 м жартылай өткізгіш табақшасы (германий не кремний) жіңішке металл сым үшкірімен түйісетін диодтарды түктелік деп атайды.
Мұндай диодтардың р - n көшуінің сиымдылығы өте аз, жоғары жиілікте қолданылады. Жартылай өткізгіштерге тән кейбір қасиеттерді қарастырайық.
Жарық әсерінен кейбір жартылай өткізгіштердің (мысалы, селен) меншікті өткізгіштігі күрт өзгереді. Бұл нақты толқын ұзындығы бар жарық сәулесі жартылай өткізгіш электрондарына, олар бос бола алуына жеткілікті энергия беруімен түсіндіріледі. Бұл кезде жартылай өткізгіш кедергісі күрт азаяды. Жартылай өткізгіштің бұл қасиеті, спектрдің көру бөліміне ғана емес, инфрақызыл сәулеге де сезімтал құрал фоторезисторлар дайындауға қолданылады.
Жартылай өткізгішті жартылай жарықтандырғанда, оның бетіне жарықталған және жарықталмаған аймақтар болған кезде, олардың арасында фото – электр қозғаушы күш пайда болады. Бұл құбылыс электр энергиясы көздерін; фотоэлементтер, күн батареясын жасауда қолданылады. Күн батареялары күн энергиясын бірден электр энергиясына айналдыра алады.
Кейбір жартылай өткізгіш (мысалы, кремний) өз электр кедергісін, қысым түскен кезде күрт өзгертеді (тензорезистивті әсер). Жартылай өткізгіштің бұл қасиеті сезімтал қысым өлшеуіш – тензодатгиктерде қолданылады.
Жартылай өткізгіштерде әртүрлі температурадағы екі учаскенің болуы, бос зарядтардың қызуы көп учаскеден, қызуы төмен учаскеге ығысуына әкеледі. Егер де заряд тасушы электрон болса, олар суық учаскеге жылжығанда оны теріс зарядтайды. Электрондарының бір бөлігін жоғалтқан қыздырған учаске оң зарядталады. Осының нәтижесінде қызған учаске мен суық учаске арасында термо – э.қ.к. пайда болады. Бұл құбылыс, жылу энергиясын электр энергиясына айналдыратын термоэлементтер мен термогенераторларда қолданылады.